JPS6259915B2 - - Google Patents
Info
- Publication number
- JPS6259915B2 JPS6259915B2 JP56105345A JP10534581A JPS6259915B2 JP S6259915 B2 JPS6259915 B2 JP S6259915B2 JP 56105345 A JP56105345 A JP 56105345A JP 10534581 A JP10534581 A JP 10534581A JP S6259915 B2 JPS6259915 B2 JP S6259915B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- barrier layer
- gas
- tunnel
- thin film
- torr
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims description 57
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 24
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 19
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 8
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 claims description 4
- 238000000992 sputter etching Methods 0.000 claims description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 41
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 40
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 22
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 20
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 13
- 239000010408 film Substances 0.000 description 12
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 11
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 9
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 9
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 7
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 5
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 5
- 230000007261 regionalization Effects 0.000 description 4
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010953 base metal Substances 0.000 description 2
- 229910002091 carbon monoxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 2
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 2
- 238000007740 vapor deposition Methods 0.000 description 2
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 2
- SMCVJROYJICEKJ-UHFFFAOYSA-N 2-hydroxypropanoic acid;nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O.CC(O)C(O)=O SMCVJROYJICEKJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000978 Pb alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000000572 ellipsometry Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000007429 general method Methods 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 238000001420 photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 229910001845 yogo sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N60/00—Superconducting devices
- H10N60/01—Manufacture or treatment
- H10N60/0912—Manufacture or treatment of Josephson-effect devices
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Description
本発明は改良されたトンネルバリヤ層を有する
トンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法に関
する。 トンネル形ジヨセフソン接合素子は基本的に基
板（Siやサフアイヤ等）上に下地電極（超伝導
体）があり、その上に電気的に絶縁性のトンネル
バリア層、更にその上に上部電極（超伝導体）の
ある構造をしている。このトンネルバリア層は20
〜50Åと非常に薄い絶縁膜であり、素子特性を大
きく左右する。たとえば、トンネルバリア層の膜
厚の変動でトンネルバリア層を流れるジヨセフソ
ン電流は２桁大きく変動する。また、トンネルバ
リアの物質や品質が素子性能に影響する。このた
め、良質のバリア層を制御性よく形成する方法を
開発することは素子の信頼性、歩留りの向上の点
からも重要であり、トンネルバリア層の形成は素
子作製工程の中で最も重要な製造工程となる。一
般にトンネル形ジヨセフソン接合素子は下地電
極薄膜形成（PbあるいはPb合金、Nb、NbN、
A15型化合物）パターン形成トンネルバリア
層形成上部電極形成に大別できる。のトンネ
ルバリア層の形成には二種類の形成法がある。一
つはパターン形成後の下地電極を直接酸化（プラ
ズマ酸化、自然酸化）して所定のバリア層を形成
する方法であり、他は下地電極上に下地電極とは
異なつたAlやSi等を蒸着やCVD等により数10Å
の厚さに形成し、それを酸化してトンネルバリア
層とする方法である。前者はトンネルバリア層の
厚さを制御しやすいが、下地電極の種類によつて
定まつたバリア物質しか得られないことになる。
一方、後者は下地電極とは異種のAlやSi等を下地
電極上に形成し、酸化することによつて誘電率の
小さなAl2O3やSiO2バリアを形成する方法である
が、AlやSiの極薄膜の膜厚制御が難しい。このよ
うに、バリア層の形成法の双方に一長一短があ
る。 バリア層の厚さの制御性に重点を置いた場合、
下地電極を直接酸化して、バリア層を形成するが
NbやNb化合物においてはバリア物質の品質が問
題となる。 問題点の第１はNbを酸化した場合、主として
生成されるのはNb2O5であるが、その他金属性の
Nb−Ｏ化合物が形成されやすく、バリア物質と
して品質が悪い。たとえ、Nb2O5で完全なバリア
を形成したとしても、誘電率が大きく（ε＝30〜
60）、素子が実現されたとしても高速スイツチン
グができない欠点を持つ。２番目の問題点は高臨
界温度Tc（第15K以上）を示すNb化合物超伝導
薄膜を酸化した場合、Nbが非常に酸化されやす
く酸化物バリアはほとんどNb系酸化物であり、
このバリアは１番目の問題点を含み、Nb化合物
を酸化しても必ずしも良好なバリア層は形成でき
ないことになる。この場合、Nbよりも酸化性の
強い元素を含む高Tc化合物を下地電極に用いれ
ばよいが、そのような高Tc化合物は存在しな
い。Nbに近い酸化性の元素としてAlが存在する
のみである。Nb3Alは15K以上の高臨界温度を示
す優れた材料であるがNbの方がわずかに酸化物
の生成エネルギーが小さくバリア層中には
Nb2O5、Nb−Ｏが含有され高品質バリアが実現
され得ない欠点を有していた。 本発明は低誘電率を有し、かつ品質の良好なト
ンネルバリヤ層を有するトンネル形ジヨセフソン
接合素子の製造方法を提供することを目的とする
ものであつて、この方法はNb−Al超伝導薄膜か
ら成る下地電極を酸素分圧が0.1〜２％のCF4−
O2混合ガス中において0.005〜0.5Torrのガス圧で
スパツタエツチングし、ついでこのスパツタエツ
チングされた下地金属を酸化することを特徴とす
る。 一般にトンネルバリア層の形成工程においては
前の製造工程である下地金属のパターニング工程
時にNb−Al下地電極の表面がレジスト、酸ある
いは酸化皮膜によつて汚染されているため、Ar
ガス中でスパツタクリーニングしたのち酸化され
る。このバリア層形成前のスパツタクリーニング
はPbやNb系素子において従来より行われてい
る。このような方法をNb−Al薄膜に適用した場
合必ずしも優れたバリアが生成できない。Nbと
AlをArガス中でスパツタした場合のスパツタ収
量を下記表１に示す。
トンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法に関
する。 トンネル形ジヨセフソン接合素子は基本的に基
板（Siやサフアイヤ等）上に下地電極（超伝導
体）があり、その上に電気的に絶縁性のトンネル
バリア層、更にその上に上部電極（超伝導体）の
ある構造をしている。このトンネルバリア層は20
〜50Åと非常に薄い絶縁膜であり、素子特性を大
きく左右する。たとえば、トンネルバリア層の膜
厚の変動でトンネルバリア層を流れるジヨセフソ
ン電流は２桁大きく変動する。また、トンネルバ
リアの物質や品質が素子性能に影響する。このた
め、良質のバリア層を制御性よく形成する方法を
開発することは素子の信頼性、歩留りの向上の点
からも重要であり、トンネルバリア層の形成は素
子作製工程の中で最も重要な製造工程となる。一
般にトンネル形ジヨセフソン接合素子は下地電
極薄膜形成（PbあるいはPb合金、Nb、NbN、
A15型化合物）パターン形成トンネルバリア
層形成上部電極形成に大別できる。のトンネ
ルバリア層の形成には二種類の形成法がある。一
つはパターン形成後の下地電極を直接酸化（プラ
ズマ酸化、自然酸化）して所定のバリア層を形成
する方法であり、他は下地電極上に下地電極とは
異なつたAlやSi等を蒸着やCVD等により数10Å
の厚さに形成し、それを酸化してトンネルバリア
層とする方法である。前者はトンネルバリア層の
厚さを制御しやすいが、下地電極の種類によつて
定まつたバリア物質しか得られないことになる。
一方、後者は下地電極とは異種のAlやSi等を下地
電極上に形成し、酸化することによつて誘電率の
小さなAl2O3やSiO2バリアを形成する方法である
が、AlやSiの極薄膜の膜厚制御が難しい。このよ
うに、バリア層の形成法の双方に一長一短があ
る。 バリア層の厚さの制御性に重点を置いた場合、
下地電極を直接酸化して、バリア層を形成するが
NbやNb化合物においてはバリア物質の品質が問
題となる。 問題点の第１はNbを酸化した場合、主として
生成されるのはNb2O5であるが、その他金属性の
Nb−Ｏ化合物が形成されやすく、バリア物質と
して品質が悪い。たとえ、Nb2O5で完全なバリア
を形成したとしても、誘電率が大きく（ε＝30〜
60）、素子が実現されたとしても高速スイツチン
グができない欠点を持つ。２番目の問題点は高臨
界温度Tc（第15K以上）を示すNb化合物超伝導
薄膜を酸化した場合、Nbが非常に酸化されやす
く酸化物バリアはほとんどNb系酸化物であり、
このバリアは１番目の問題点を含み、Nb化合物
を酸化しても必ずしも良好なバリア層は形成でき
ないことになる。この場合、Nbよりも酸化性の
強い元素を含む高Tc化合物を下地電極に用いれ
ばよいが、そのような高Tc化合物は存在しな
い。Nbに近い酸化性の元素としてAlが存在する
のみである。Nb3Alは15K以上の高臨界温度を示
す優れた材料であるがNbの方がわずかに酸化物
の生成エネルギーが小さくバリア層中には
Nb2O5、Nb−Ｏが含有され高品質バリアが実現
され得ない欠点を有していた。 本発明は低誘電率を有し、かつ品質の良好なト
ンネルバリヤ層を有するトンネル形ジヨセフソン
接合素子の製造方法を提供することを目的とする
ものであつて、この方法はNb−Al超伝導薄膜か
ら成る下地電極を酸素分圧が0.1〜２％のCF4−
O2混合ガス中において0.005〜0.5Torrのガス圧で
スパツタエツチングし、ついでこのスパツタエツ
チングされた下地金属を酸化することを特徴とす
る。 一般にトンネルバリア層の形成工程においては
前の製造工程である下地金属のパターニング工程
時にNb−Al下地電極の表面がレジスト、酸ある
いは酸化皮膜によつて汚染されているため、Ar
ガス中でスパツタクリーニングしたのち酸化され
る。このバリア層形成前のスパツタクリーニング
はPbやNb系素子において従来より行われてい
る。このような方法をNb−Al薄膜に適用した場
合必ずしも優れたバリアが生成できない。Nbと
AlをArガス中でスパツタした場合のスパツタ収
量を下記表１に示す。
【表】
この表から明らかなように、NbよりもAlの方
がスパツタされやすくスパツタ後の表面は薄膜形
成時の組成よりもNb−rich（Nb含有量が大）と
なる。このため、Arガスによるスパツタクリー
ニング後酸化すると多量のNb酸化物を含む品質
の悪いバリア層が形成されることになる。スパツ
タクリーニングは汚染物除去の観点から効果を有
するものの、良質トンネルバリア層形成の目的に
対し悪影響を及ぼす。そこで、Nb−Al薄膜にお
いて高品質Al2O3バリアを形成するためには、酸
化前にAl−richな表面層を実現することが必要と
なる。このAl−richの表面層を実現するためには
表１とは逆にNbに対してはスパツタ速度が大き
くAlに対してはスパツタ速度の小さなガスによ
りスパツタすればよいことになる。下記表２に
CF4とO2との混合ガスの分圧比によるNbとAlの
680W、全ガス圧0.12Torrにおけるスパツタ速度
（Å／min.）を示す。
がスパツタされやすくスパツタ後の表面は薄膜形
成時の組成よりもNb−rich（Nb含有量が大）と
なる。このため、Arガスによるスパツタクリー
ニング後酸化すると多量のNb酸化物を含む品質
の悪いバリア層が形成されることになる。スパツ
タクリーニングは汚染物除去の観点から効果を有
するものの、良質トンネルバリア層形成の目的に
対し悪影響を及ぼす。そこで、Nb−Al薄膜にお
いて高品質Al2O3バリアを形成するためには、酸
化前にAl−richな表面層を実現することが必要と
なる。このAl−richの表面層を実現するためには
表１とは逆にNbに対してはスパツタ速度が大き
くAlに対してはスパツタ速度の小さなガスによ
りスパツタすればよいことになる。下記表２に
CF4とO2との混合ガスの分圧比によるNbとAlの
680W、全ガス圧0.12Torrにおけるスパツタ速度
（Å／min.）を示す。
【表】
この表２から明らかなようにCF4とO2の混合ガ
スにおいてはAlはほとんどスパツタされず、Nb
は著しくスパツタされる。酸素分圧が0.8％のと
きNbのスパツタ速度は最大値を示し、CF4のみ
よりCF4＋O2ガスによるスパツタは著しい効果を
もつ。 このCF4とO2混合ガスの作用によつてNb−Al
薄膜の表面層は数10ÅにわたりAl−richの層とな
る。このAl−richの薄膜を酸化すると低誘電率
（ε＝11）のAl2O3を主成分とする品質のよいト
ンネルバリア層が形成されることになる。 また分圧比Pr（＝ＰO2／ＰCF4）が２％を超え
るとスパツタエツチングを行なつた場合、エツチ
ング速度の低下及びO2量の増加によつてAl2O3膜
形成速度が増大することにより、Al2O3バリアの
膜厚が増加し、トンネル特性を示さなくなるため
トンネルバリアとして使用できなくなる。 このような分圧比Prが２％を超えAl2O3バリア
膜が厚く形成されたものはCF4−O2混合ガスによ
るスパツタ後、Arガススパツタを行いAl2O3バリ
ア膜を適当な（30〜50Å）膜厚までエツチングす
ることによりAl2O3を主成分とするトンネルバリ
ア層を形成することができる。 実験例 １ アーク溶接によつて作製したNb−25.1at（原
子）％Al合金ターゲツト（100mmφ）を用いてdc
マグネトロンスパツタ法により熱酸化膜のあるSi
基板（SiO2膜厚8000Å）上に670℃の基板温度で
10-2TorrのArガス中でスパツタして3500Åの下
地電極薄膜を得た。この薄膜の超伝導臨界温度は
Tc＝16.7Kを示した。次にこの下地電極をパター
ニング（パターン巾：20μｍ）のためレジストコ
ート、露光、現像、エツチング（沸硝酸−乳酸
液）した。次に再度レジストコートし、露光、現
像により上部電極形成用のステンシルを形成し
た。この工程において接合部分の下地電極が露出
した状態になつている。次に、このようにして準
備された多数の薄膜基板の一部を従来の一般的な
方法によりバリア層を形成し、素子を作製した。
すなわち酸化前に10-2TorrのArガス中でスパツ
タ（ＶPP＝600V、20分間）して表面クリーニン
グしたのち、10-2TorrのAr−４％O2ガス中でプ
ラズマ酸化（ＶPP＝400V、５分間）し、その
後、Pbの上部電極を形成し素子を作製した。得
られた素子のＶ−Ｉ特性は第１図に示す様に主に
ブリツジ型の特性を示した。 一方、残りの薄膜基板の一部をArガス中
（10-2Torr）でスパツタ（ＶPP＝600V、10分間）
したのちCF4（1.2×10-1Torr）でスパツタ（Ｗ
−100W、２分間）を行なつた。その後、Ar−４
％O2ガス中（10-2Torr）でプラズマ酸化（ＶPP
＝400V、５分間）し、次いでPbの上部電極を形
成して素子を作製した。得られた素子のＶ−Ｉ特
性はトンネル形を示した。この時のギヤツプ電圧
は4.0ｍＶであつた。 残りの薄膜基板（パターン形成迄の工程を経た
薄膜基板）を用い、露出した下地電極をCF4、O2
の混合ガス中（全圧1.2×10-1Torr、酸素分圧Pr
＝0.8％）でスパツタ（Ｗ＝50W、30秒）した。
その後Ar−4at％O2ガス中（10-2Torr）でプラズ
マ酸化（ＶPP＝400V、５分）し、Pbにより上部
電極を形成し本発明の素子を作製した。これらの
素子はトンネル型のＶ−Ｉ特性を示し、ギヤツプ
電圧は4.3ｍＶであつた。このＶ−Ｉ特性を第２
図に示す。この混合ガスでスパツタした後の表面
層のAl、Nbの濃度分析をオージエ電子分光装置
により測定した。その結果を第３図に示す。CF4
ガスのみでエツチングした試料でも同様の表面層
を示し、表面にはAl−rich層が約40Å形成され、
プラズマ酸化によつてAl2O3が形成されている。
この安定したAl2O3バリアがトンネル特性を示す
ものと考えられる。Al2O3の形成は光電子分光装
置と偏光解析装置からも観察された。 実験例 ２ サフアイア基板上に電子ビーム蒸着によりNb
−Al薄膜を形成した。蒸着前の真空度は
10-9Torr、基板温度800℃でNbとAlを同時蒸着し
た。蒸着時２×10-8Torrであつた。膜形成速度
は30Å／secで4000Åの薄膜を形成した。得られ
た合金薄膜の組成はNb−24.5at％Alで臨界温度
はTc＝15.2Kであつた。この薄膜を用いて実験例
１と同様のパターンを形成した。バリア層形成前
の前処理としてArガス中でスパツタクリーニン
グしたもの、CF4−O2混合ガス（Pr：0.4％）の
全ガス圧を変化してスパツタしたもの、及び酸化
方法を変えたものの各種の素子を作製し、各素子
に対するＶ−Ｉ特性を得た。それらを下記表３に
示す。
スにおいてはAlはほとんどスパツタされず、Nb
は著しくスパツタされる。酸素分圧が0.8％のと
きNbのスパツタ速度は最大値を示し、CF4のみ
よりCF4＋O2ガスによるスパツタは著しい効果を
もつ。 このCF4とO2混合ガスの作用によつてNb−Al
薄膜の表面層は数10ÅにわたりAl−richの層とな
る。このAl−richの薄膜を酸化すると低誘電率
（ε＝11）のAl2O3を主成分とする品質のよいト
ンネルバリア層が形成されることになる。 また分圧比Pr（＝ＰO2／ＰCF4）が２％を超え
るとスパツタエツチングを行なつた場合、エツチ
ング速度の低下及びO2量の増加によつてAl2O3膜
形成速度が増大することにより、Al2O3バリアの
膜厚が増加し、トンネル特性を示さなくなるため
トンネルバリアとして使用できなくなる。 このような分圧比Prが２％を超えAl2O3バリア
膜が厚く形成されたものはCF4−O2混合ガスによ
るスパツタ後、Arガススパツタを行いAl2O3バリ
ア膜を適当な（30〜50Å）膜厚までエツチングす
ることによりAl2O3を主成分とするトンネルバリ
ア層を形成することができる。 実験例 １ アーク溶接によつて作製したNb−25.1at（原
子）％Al合金ターゲツト（100mmφ）を用いてdc
マグネトロンスパツタ法により熱酸化膜のあるSi
基板（SiO2膜厚8000Å）上に670℃の基板温度で
10-2TorrのArガス中でスパツタして3500Åの下
地電極薄膜を得た。この薄膜の超伝導臨界温度は
Tc＝16.7Kを示した。次にこの下地電極をパター
ニング（パターン巾：20μｍ）のためレジストコ
ート、露光、現像、エツチング（沸硝酸−乳酸
液）した。次に再度レジストコートし、露光、現
像により上部電極形成用のステンシルを形成し
た。この工程において接合部分の下地電極が露出
した状態になつている。次に、このようにして準
備された多数の薄膜基板の一部を従来の一般的な
方法によりバリア層を形成し、素子を作製した。
すなわち酸化前に10-2TorrのArガス中でスパツ
タ（ＶPP＝600V、20分間）して表面クリーニン
グしたのち、10-2TorrのAr−４％O2ガス中でプ
ラズマ酸化（ＶPP＝400V、５分間）し、その
後、Pbの上部電極を形成し素子を作製した。得
られた素子のＶ−Ｉ特性は第１図に示す様に主に
ブリツジ型の特性を示した。 一方、残りの薄膜基板の一部をArガス中
（10-2Torr）でスパツタ（ＶPP＝600V、10分間）
したのちCF4（1.2×10-1Torr）でスパツタ（Ｗ
−100W、２分間）を行なつた。その後、Ar−４
％O2ガス中（10-2Torr）でプラズマ酸化（ＶPP
＝400V、５分間）し、次いでPbの上部電極を形
成して素子を作製した。得られた素子のＶ−Ｉ特
性はトンネル形を示した。この時のギヤツプ電圧
は4.0ｍＶであつた。 残りの薄膜基板（パターン形成迄の工程を経た
薄膜基板）を用い、露出した下地電極をCF4、O2
の混合ガス中（全圧1.2×10-1Torr、酸素分圧Pr
＝0.8％）でスパツタ（Ｗ＝50W、30秒）した。
その後Ar−4at％O2ガス中（10-2Torr）でプラズ
マ酸化（ＶPP＝400V、５分）し、Pbにより上部
電極を形成し本発明の素子を作製した。これらの
素子はトンネル型のＶ−Ｉ特性を示し、ギヤツプ
電圧は4.3ｍＶであつた。このＶ−Ｉ特性を第２
図に示す。この混合ガスでスパツタした後の表面
層のAl、Nbの濃度分析をオージエ電子分光装置
により測定した。その結果を第３図に示す。CF4
ガスのみでエツチングした試料でも同様の表面層
を示し、表面にはAl−rich層が約40Å形成され、
プラズマ酸化によつてAl2O3が形成されている。
この安定したAl2O3バリアがトンネル特性を示す
ものと考えられる。Al2O3の形成は光電子分光装
置と偏光解析装置からも観察された。 実験例 ２ サフアイア基板上に電子ビーム蒸着によりNb
−Al薄膜を形成した。蒸着前の真空度は
10-9Torr、基板温度800℃でNbとAlを同時蒸着し
た。蒸着時２×10-8Torrであつた。膜形成速度
は30Å／secで4000Åの薄膜を形成した。得られ
た合金薄膜の組成はNb−24.5at％Alで臨界温度
はTc＝15.2Kであつた。この薄膜を用いて実験例
１と同様のパターンを形成した。バリア層形成前
の前処理としてArガス中でスパツタクリーニン
グしたもの、CF4−O2混合ガス（Pr：0.4％）の
全ガス圧を変化してスパツタしたもの、及び酸化
方法を変えたものの各種の素子を作製し、各素子
に対するＶ−Ｉ特性を得た。それらを下記表３に
示す。
【表】
【表】
表３からトンネル形の特性を示すものはバリア
層形成前にCF4−O2混合ガスでスパツタしたもの
であることがわかる。トンネル特性を示すものの
中でギヤツプ電圧はこの混合ガスの全ガス圧に依
存する。優れた特性を示す本発明の素子は混合ガ
スの全ガス圧が0.005〜0.5Torrのもの（素子番号
13、14、15、16、18および19）である。一方、全
ガス圧が0.5Torrより高くなるとスパツタ粒子の
平均自由行程が小さくなり、多方向からのスパツ
タが生じ、下地電極表面が汚染され、その結果、
Al2O3の均一なバリアが形成されないために素子
の特性がばらつくものと考えられる。 実験例 ３ 実験例１で作製した薄膜（パターン形成迄の工
程を経た薄膜基板）を用い、露出した下地電極を
CF4（1.2×10-1Torr）及びCF4−O2混合ガス中
（全圧1.2×10-1Torr）でスパツタ（30W、５分
間）した。CF4−O2混合ガスではO2分圧を0.1〜
16％迄変化させた。偏光解析装置を用いて、この
とき基板表面に形成されるAl2O3バリア層の膜厚
を観測した。この結果を下記表４に示す。CF4ガ
スのみではO2が含まれていないためAl2O3は形成
されない。CF4−O2混合ガスではO2分圧が増大
するにつれAl2O3膜厚も増大している。トンネル
型ジヨセフソン素子作製に必要な酸化物バリア層
の膜厚は約30Å〜50Å程度である。この範囲には
いるAl2O3バリア層膜厚が形成される場合のO2分
圧（＝Pr）は0.4〜２（素子番号24〜28）であ
る。 O2分圧が0.2以下のもの（素子番号21〜23）は
更にAr−４％O2ガス中（10-2Torr）でプラズマ
酸化（ＶPP＝400V、５分）して薄膜基板表面に
厚さ30Å〜50ÅのAl2O3バリア層を形成し、また
O2分圧が0.4〜２のCF4−O2混合ガス中でスパツ
タしたもの（素子番号24〜28）はそのまま、O2
分圧が３以上のもの（素子番号29〜212）はArガ
ス中（10-2Torr）でスパツタ（ＶPP＝600V、20
〜30分）し、Al2O3バリア層膜厚が30Å〜50Åに
なるようにエツチングし、すべての薄膜基板上に
30〜50Å膜厚のAl2O3バリア層を形成する。その
後、Pbの上部電極を形成し素子を作製した。得
られた素子のＶ−Ｉ特性も表４に示される。O2
分圧が0.1％まででスパツタした後作製した素子
ではCF4のみでスパツタした後作製した素子とギ
ヤツプ電圧は変わらず4.0ｍＶを示す。O2分圧が
0.2％でスパツタ後作製した素子はCF4のみの場
合よりギヤツプ電圧が0.2ｍＶ高くなり4.2ｍＶを
示す。O2分圧が0.4〜２％でスパツタ後作製した
素子はギヤツプ電圧が4.3〜4.5ｍＶを示す。これ
らはCF4によるNbのエツチングを阻害する基板
表面に付着したＣ（カーボン）をＯがCO、CO2
としてガス化し取り除き、CF4によるNbエツチ
ングを進行させる。このエツチング早さとＯによ
るAl2O3形成速度が釣り合つて適当な膜厚（30〜
50Å）のバリア層が形成されるためである。O2
分圧が２％を超えると表４に示す様にAl2O3の酸
化物バリア層形成速度が次第に増加することによ
りバリア膜厚が50Åを超えトンネル特性を示さな
くなるためギヤツプ電圧は現われない。 これらの厚いバリアをトンネル特性を示す30〜
50Åにするため、Arガス中（10-2Torr、ＶPP＝
600V）で20〜30分スパツタした。得られた素子
はギヤツプ電圧約４ｍＶのギヤツプ電圧を示し
た。
層形成前にCF4−O2混合ガスでスパツタしたもの
であることがわかる。トンネル特性を示すものの
中でギヤツプ電圧はこの混合ガスの全ガス圧に依
存する。優れた特性を示す本発明の素子は混合ガ
スの全ガス圧が0.005〜0.5Torrのもの（素子番号
13、14、15、16、18および19）である。一方、全
ガス圧が0.5Torrより高くなるとスパツタ粒子の
平均自由行程が小さくなり、多方向からのスパツ
タが生じ、下地電極表面が汚染され、その結果、
Al2O3の均一なバリアが形成されないために素子
の特性がばらつくものと考えられる。 実験例 ３ 実験例１で作製した薄膜（パターン形成迄の工
程を経た薄膜基板）を用い、露出した下地電極を
CF4（1.2×10-1Torr）及びCF4−O2混合ガス中
（全圧1.2×10-1Torr）でスパツタ（30W、５分
間）した。CF4−O2混合ガスではO2分圧を0.1〜
16％迄変化させた。偏光解析装置を用いて、この
とき基板表面に形成されるAl2O3バリア層の膜厚
を観測した。この結果を下記表４に示す。CF4ガ
スのみではO2が含まれていないためAl2O3は形成
されない。CF4−O2混合ガスではO2分圧が増大
するにつれAl2O3膜厚も増大している。トンネル
型ジヨセフソン素子作製に必要な酸化物バリア層
の膜厚は約30Å〜50Å程度である。この範囲には
いるAl2O3バリア層膜厚が形成される場合のO2分
圧（＝Pr）は0.4〜２（素子番号24〜28）であ
る。 O2分圧が0.2以下のもの（素子番号21〜23）は
更にAr−４％O2ガス中（10-2Torr）でプラズマ
酸化（ＶPP＝400V、５分）して薄膜基板表面に
厚さ30Å〜50ÅのAl2O3バリア層を形成し、また
O2分圧が0.4〜２のCF4−O2混合ガス中でスパツ
タしたもの（素子番号24〜28）はそのまま、O2
分圧が３以上のもの（素子番号29〜212）はArガ
ス中（10-2Torr）でスパツタ（ＶPP＝600V、20
〜30分）し、Al2O3バリア層膜厚が30Å〜50Åに
なるようにエツチングし、すべての薄膜基板上に
30〜50Å膜厚のAl2O3バリア層を形成する。その
後、Pbの上部電極を形成し素子を作製した。得
られた素子のＶ−Ｉ特性も表４に示される。O2
分圧が0.1％まででスパツタした後作製した素子
ではCF4のみでスパツタした後作製した素子とギ
ヤツプ電圧は変わらず4.0ｍＶを示す。O2分圧が
0.2％でスパツタ後作製した素子はCF4のみの場
合よりギヤツプ電圧が0.2ｍＶ高くなり4.2ｍＶを
示す。O2分圧が0.4〜２％でスパツタ後作製した
素子はギヤツプ電圧が4.3〜4.5ｍＶを示す。これ
らはCF4によるNbのエツチングを阻害する基板
表面に付着したＣ（カーボン）をＯがCO、CO2
としてガス化し取り除き、CF4によるNbエツチ
ングを進行させる。このエツチング早さとＯによ
るAl2O3形成速度が釣り合つて適当な膜厚（30〜
50Å）のバリア層が形成されるためである。O2
分圧が２％を超えると表４に示す様にAl2O3の酸
化物バリア層形成速度が次第に増加することによ
りバリア膜厚が50Åを超えトンネル特性を示さな
くなるためギヤツプ電圧は現われない。 これらの厚いバリアをトンネル特性を示す30〜
50Åにするため、Arガス中（10-2Torr、ＶPP＝
600V）で20〜30分スパツタした。得られた素子
はギヤツプ電圧約４ｍＶのギヤツプ電圧を示し
た。
【表】
以上説明したように本発明によればNb−Al超
伝導薄膜をO2分圧0.1〜２％のCF4−O2混合ガス
中0.005〜0.5Torrのガス圧でスパツタした場合、
AlとNbのスパツタレートの差によつて薄膜表面
にAl−rich層が形成されるから、これらの表面を
酸化すれば誘電率の低いAl2O3トンネルバリア層
を形成することができ、安定した高速スイツチン
グ素子を歩留りよく製造できる利点がある。
伝導薄膜をO2分圧0.1〜２％のCF4−O2混合ガス
中0.005〜0.5Torrのガス圧でスパツタした場合、
AlとNbのスパツタレートの差によつて薄膜表面
にAl−rich層が形成されるから、これらの表面を
酸化すれば誘電率の低いAl2O3トンネルバリア層
を形成することができ、安定した高速スイツチン
グ素子を歩留りよく製造できる利点がある。
第１図は従来方法で製造したジヨセフソン接合
素子の電圧−電流特性を示すグラフ、第２図は本
発明の方法で製造したジヨセフソン接合素子の電
圧−電流特性を示すグラフ、そして、第３図は本
発明の方法でスパツタエツチング処理された下地
電極表面近傍でのNbとAlの深さ方向の濃度分布
を示すグラフである。
素子の電圧−電流特性を示すグラフ、第２図は本
発明の方法で製造したジヨセフソン接合素子の電
圧−電流特性を示すグラフ、そして、第３図は本
発明の方法でスパツタエツチング処理された下地
電極表面近傍でのNbとAlの深さ方向の濃度分布
を示すグラフである。
Claims (1)
- １ Nb−Al超伝導薄膜から成る下地電極を有す
るトンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法に
おいて、上記下地電極をO2分圧が0.1〜２％の
CF4−O2混合ガス中において、0.005〜0.5Torrの
ガス圧でスパツタエツチング処理し、ついでこの
処理された下地電極表面を酸化してトンネルバリ
ヤ層を形成することを特徴とするトンネル形ジヨ
セフソン接合素子の製造方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56105345A JPS587890A (ja) | 1981-07-06 | 1981-07-06 | トンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
| CA000405292A CA1168762A (en) | 1981-06-22 | 1982-06-16 | Method of fabrication for josephson tunnel junction |
| US06/390,116 US4412902A (en) | 1981-06-22 | 1982-06-18 | Method of fabrication of Josephson tunnel junction |
| FR8211126A FR2508237B1 (fr) | 1981-06-22 | 1982-06-22 | Procede pour la fabrication d'une jonction de josephson, notamment d'une jonction tunnel de josephson |
| NL8202511A NL190858C (nl) | 1981-06-22 | 1982-06-22 | Werkwijze voor het vervaardigen van een Josephson-tunnelovergang. |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56105345A JPS587890A (ja) | 1981-07-06 | 1981-07-06 | トンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS587890A JPS587890A (ja) | 1983-01-17 |
| JPS6259915B2 true JPS6259915B2 (ja) | 1987-12-14 |
Family
ID=14405141
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56105345A Granted JPS587890A (ja) | 1981-06-22 | 1981-07-06 | トンネル形ジヨセフソン接合素子の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS587890A (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5217799A (en) * | 1988-09-09 | 1993-06-08 | Japan Vilene Co., Ltd. | Surface materials for interior materials of cars |
-
1981
- 1981-07-06 JP JP56105345A patent/JPS587890A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS587890A (ja) | 1983-01-17 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4412902A (en) | Method of fabrication of Josephson tunnel junction | |
| JPS6259915B2 (ja) | ||
| US4458409A (en) | Process for producing niobium Josephson junctions | |
| JPS6347153B2 (ja) | ||
| JPS6257273B2 (ja) | ||
| JP2682136B2 (ja) | ジョセフソン素子の製造方法 | |
| Tanabe et al. | Nb3Al/oxide/Pb Josephson tunnel junctions fabricated using a CF4 cleaning process | |
| JPS6257274B2 (ja) | ||
| JPS6258677B2 (ja) | ||
| JPH054828B2 (ja) | ||
| JPS6258676B2 (ja) | ||
| JPS61111589A (ja) | トンネル型ジヨセフソン素子の製造方法 | |
| JPS5979585A (ja) | ジヨセフソン接合素子とその製造方法 | |
| Kuroda et al. | Experimental Integration Technology for Josephson Tunneling Switching Devices | |
| JPS6258555B2 (ja) | ||
| JP2899308B2 (ja) | 超電導素子の製造方法 | |
| JPH0523073B2 (ja) | ||
| JPS6167282A (ja) | 超伝導集積回路用抵抗素子及びその製法 | |
| JPS6260835B2 (ja) | ||
| Bhushan et al. | Low-loss lumped-element capacitors for superconductive integrated circuits | |
| JPH03190289A (ja) | ジョセフソン接合素子及びその製造方法 | |
| JPS58108739A (ja) | ジヨセフソン接合装置 | |
| JPS60105285A (ja) | ジヨセフソン集積回路作製用基板 | |
| JPH0113224B2 (ja) | ||
| JPH02162779A (ja) | 超伝導トンネル接合およびその作製方法 |